RLC Meter, аналоговая часть

[bob1]

НА ADuCM350 можно думаю сделать 10кГц вариант RLС метра, но корпус 120 pin 8 mm x 8 mm CSP_BGA и цена $7.50 (Price each per 1k units)

Но вот I-V конвертер и 74HC4052 крайне подозрительно ведут себя на высоких частотах.

Влияют скорее всего переходные емкости в 74HC4052. Не подключайте 100кОм (10к??) резистор на частотах 100кГц и выше..
Успехов!!

[balmer]

Прикрутил к своему RLC метру возможность строить графики зависимости от частоты.
Делюсь результатами, тем более один любопытный практический вывод у меня получился.

Дальше куча графиков. Красная линия - реальная часть сопротивления. Синяя линия - мнимая часть сопротивления. Причем надо внимательно смотреть - у некоторых графиков логарифмические шкалы, у некоторых линейные. У большинства графиков частота от 100 Hz до 375 KHz.
Все измерения производились без каких либо калибровок учитывающих емкость и сопротивление щупов.

Начнем с простого - резистор 2200 Ом.


Все довольно точно, лишь на высоких частотах начала падать точность.

Далее график 100 uH катушки.

Тут по оси Y линейная шкала, ничего не разглядеть. Поэтому переходим к логарифмическим координатам.



Тут уже видно, что мнимая часть начинает линейно увеличиваться примерно с 300 Hz. А вот на реальной есть странные всплески в районе 10 КГц. Эти всплески - именно ошибка прибора, позже расскажу с чем они связанны.

Переходим к "граничным" случаям.
Конденсатор на 2200 uF


На низких частотах естественно получаем правильное значение емкости и ESR. На высоких частотах интереснее. На частоте примерно 10 КГц у конденсатора последовательный резонанс, после чего он начинает вести себя как катушка. На частоте 175 КГц скорее всего поймал склон какогото параллельного резонанса, но так-как там точек мало, то грасивого горба не получилось.

Далее просто замкнутые щупы.

На низких частотах имеем сопротивление щупов. На более высоких частотах видим уже индуктивность щупов.

Далее катушка с маленькой индуктивностью 1 uH

Менше частоты 1 КГц данные сильно зашумлены, а вот уже дальше шумы достаточно быстро уменьшаются. На 10 КГц уже имеем отличные чистые данные.

Далее конденсатор 1.5 pF

На частотах ниже 10 КГц показывает "бесконечность" у реальной части сопротивления, а вот дальше уже что-то есть. Емкость определяется достаточно точно (лучше чем 0.1 pF), а вот ESR очень странный, надо будет думать почему так получилось.

Ну и на последок, чисто "for fun" - параллельно соединенные конденсатор 100 nF и индуктивность 100 uH.

Пик резонанса довольно острый, просто он в логарифмических координатах выглядит несколько размыто.

Кстати эти графики позволили очень сильно улучшить показания прибора. Дело в том, что настраивал усиление так, чтобы амплитуда сигнала была по возможности больше. Когда на глаз смотришь - синусоида очень ровная. Но в действительности не так. Есть нелинейные искажения, примерно 0.1% по амплитуде. Вроде мелочь, но это сдвигает фазу сигнала. Причем, что интересно - падение точности не на краях диапазона, а в середине, где амплитуды сигналов в обеих каналах высоки.

Ну и да. Точность 10 nH похоже не смогу обеспечить с моими щупами. Потому как их чутка по другому положишь и уже на 10-20 nH изменяется индуктивность.

[balmer]

Определил, что за странный пик у конденсатора 2200 uF был. Это выходной ОУ начинал колебаться под воздействии входящего сигнала при слишком большом коэффициенте усиления. Так что был резонанс, да не там. Теперь график выглядит как надо:


Так же настроил алгоритм определения коэффициента усиления. Теперь перегруза нет нигде. График 100 uH приобрел приятную гладкость.


Настроил коэффициенты усиления на резисторах. Точность в диапазоне 1 Ом - 100 КОм получилась лучше 1%, чем пока и удовлетворился.

Теперь наступило время настраивать сдвиг фаз. Пока что совсем не представляю методику этого процесса.
Потестировал измерение мелких конденсаторов (на частоте 250 КГц).
С отключенными щупами показывает C=0.5 pF R=960 КОм
С включенными щупами показывает C=2.2 pF R=287 КОм
С подключенным конденсатором 1.5 pF показывает С=3.9 pF R=177 КОм
Так понимаю реальная часть R слишком маленькая из-за того, что сдвиг фаз между каналами присутствует. Или из-за индуктивности щупов (100 nH примерно). Надо таки думать.

Да, точно такие конденсаторы с моими щупами не измерить. Ибо буквально на несколько миллиметров один щуп относительно другого двигаешь и емкость меняется на 0.1 pF.

[bob1]

Теперь наступило время настраивать сдвиг фаз. Пока что совсем не представляю методику этого процесса.

Повернуть вектор A+Bi напряжения(тока) на угол alfa можно по формулам.... т.е сделаем программную задержку(опережение) сигнала.
A' =A*cos(alfa)-B*sin(alfa);
B' =A*sin(alfa)+B*cos(alfa);

[balmer]

С математикой у меня проблем нет. Тут больше методологический вопрос как настраивать.

Припаять SMD резистор вместо щупов и предположить, что разница фаз в каналах должна быть нулевая?
Как дошел до этого момента - немного жалею, что достаточно "свободный" монтаж у меня в аналоговой части.
Все таки каждый сантиметр индуктивности проводов - это примерно десяток наногенри, и их надо компенсировать.

Эх, чувствую придется читать ветку форума про RLC-2

[bob1]

разница фаз в каналах должна быть нулевая?

Не совсем. В RLC2 принимали, что показания 0805 резисторов 0.08рФ 10кОм-10МОм, 50нГн 0-2кОм. Могу ошибаться. Лучше глянуть исходники.

[balmer]

Кстати напишу про один момент, он и раньше был под словами "настраивал усиление".
Но разъясню подробнее, а то наверняка забуду когда буду статейку писать.
В усилительном тракте использую Rail-to-Rail усилители MCP6S21 .
Rail-to-Rail называются усилители с широкой амплитудой выходного сигнала, в нашем случае Vdd+0.3 V .... Vcc-0.3 V
Я конечно читал в даташите, что существуют искажения искажения при большой амплитуде сигнала, но както не придал этому значения.

А искажения вот такие:


По оси X - время в секундах.
По оси Y - напряжение в ADC сэмплах. 4096 сэмплов это 3.3 V.
Ну уровне 1600 происходит очень неприятное нелинейное искажение, которое сильно влияет на измерение фазы сигнала.
Поэтому приходится использовать этот усилитель как обычный. Чтобы выходное напряжение не выходило за Vdd+1.5 V .... Vcc-1.5 V

[Andrew Martin]

Если эксперимент чистый - то в топку такой ОУ
Зря Микрочип начал делать аналоговые продукты...

[E71]

Они не сами. Они купили фирму которая этим занималась.

Надо выбирать операционники. У них есть и Rail-to-Rail. Я как-то попал с МСР602. Она по выходу Rail-to-Rail, а по входу у неё ограничение: нельзя подавать напряжение, больше чем Vdd-1,5v. Т.е. при питании 5в на вход больше 3,5в нельзя давать - она триггерно переключается по выходу в высокий уровень и так и стоит. А я её интегратором на выход ШИМа поставил. И долго не мог понять, где у меня в программе косяк, почему напряжение плавно растёт, а потом "Бац!" и на выходе 5в.

[balmer]

На входе синусоидальный сигнал. В данном случае 8 КГц примерно.
На выходе уже с искажением.

Там все не так плохо в большинстве случаев. Это именно максимальные искажения, которые надо подлавливать имея определенную амплитуду сигнала. При увеличении и уменьшении амплитуды - искажения падают.

Но в теории, как устроенны Rail-to-Rail усилители разбираюсь слабо.
Причем это на максимальном коэффициенте усиления x32. При меньших коэффициэнтах усиления значительно меньше искажения.

[zöner]

если бы проблема была в R2R, было бы ограничение синуса. На графике что-то другое

[balmer]

Потыкался осциллографом. Теперь у меня новый подозреваемый.

Виртуальная земля у меня такая:


Для каждого усиливающего ОУ своя виртуальная земля на кусочке LM258.
И она вот так ведет себя при частоте, когда наибольшие нелинейные искажения.


У меня конечно есть сильное подозрение, что неправильно выбрал параметры для C8 R31 C17 и C18 R32 C26.
А может быть на входе надо параллельно С1 поставить на 100 nF конденсатор?
Вобщем, что-то тут не так. Амплитуда 20 мВ - это дохрена.

[Леонид Иванович]

Поставить с виртуальной земли на настоящую алюминиевый электролит, скажем, 22 мкФ. Его ESR и емкость образуют ту же снабберную цепочку, ОУ останется устойчивым. Если страшно, тогда можно организовать виртуальную землю немного по другой схеме, тогда и тантал можно ставить:

[balmer]

Повозился, поприпаивал/поотпаивал всякие детальки. В конце концов оказалось, что первоначаольный вариант, на который жаловался - не так уж и плох.

Дело в том, что в MCP6S21 сопротивления в цепи отрицательной обратной связи имеют достаточно небольшие номиналы. Чтото около 5-10 КОм.
При указанных на вашей схеме R51=120 Ом, С60=22 uF мы получаем на виртуальной земле амплитуду проникающего сигнала порядка 10 мВ.

То что сопротивления в цепи ООС у MCP6S21 небольшие - это неплохо, коэффициэнт усиления при хорошей земле очень стабильно держится при изменении частоты. Но вот при "плохой" земле, сопротивление которой плавает в зависимости от частоты - получается довольно сильная зависимость коэффициэнта усиления от частоты.

Так, что вернул обратно все как было, только сделал номиналы R31,R32=22 Ом и C8, C18= 4.7 uF. Сделал бы и больше номиналы, но это были у меня самой большой емкости конденсаторы в корпусе 0603.

[balmer]

Что ж, провел Open/Short/Load калибровку.
Рассмотрим что получилось на примере конденсатора 4700 uF.
Графики приобрели приятную плавность. Никаких неожиданных выбросов (спасибо правильной виртуальной земле).



Причем если референсный прибор (DE-5000) определяет емкость конденсатора только на частоте 100/120 Гц, то наш прибор вполне честно показывает до частоты 10 КГц. Разница в показаниях на частоте 100 Гц - примерно 1%.



Он бы и дальше показывал емкость конденсатора, но но там мы приближаемся к резонансу.
График мнимой части в логарифмических координатах, чтобы лучше было видно.


Намеряли на частоте 100 Гц - 4380 мкФ 24 мОм
На частоте 100 КГц получаем 17 nH

Для малых емкостей/больших сопротивлений тоже проводил калибровку и там точность аналогичная - около 1% если не подступать совсем близко к краям диапазона.

Младшие разряды, где начинается шум получились примерно такими R=1 мОм, C=0.2 пФ, L=2 нГ.

Теперь надо откалибровать "промежуточные" диапазоны. Но там все довольно просто. Например берем диапазон с резистором 1 Ком и калибруем его резисторами 1 КОм, 3.3 КОм, 10 КОм . И решаем матрицу для 6 неизвестных, которая хорошо детерминированна. Там и без калибровки на средних диапазонах получается точность порядка 2%, а с калибровкой думаю можно будет получить десятые доли процента. То есть до желаемых мной 1% точности совсем просто дотянуть

[Galizin]

Младшие разряды, где начинается шум получились примерно такими R=1 мОм, C=0.2 пФ, L=2 нГ.

Это от частоты зависит. На высоких частотах увеличивается разрешение реактивного импеданса. На низких - активного.
Кстати фразу можно интерпретировать как прыгание млдшего разряда в пределах этих величин или прыгание младшего разряда при измерении этих величин. Я думаю что здесь первое. Индуктивность в 2 нГ тяжело найти.
Очень хорошее разрешение по индуктивности говорит что речь идет скорее всего о высоких частотах. Почему то маловато разрешение по емкости. Возможно недостаточно усиление по току.
К своей статье я выкладывал перевод статью HP о калибровке. Ту самую на которую опирается RLC-2. Там возможно не очень очевидно, но можно показать, что измерение возможно в огурцах. То есть сразу в единицах АЦП после фурье преобразования.
Идея по калибровке на диапазоне по нескольким точкам хороша. Только вот уравнения, которые получаются решить аналитически не удается. Но вполне можно решить их методом приближений. Я думаю 2-3 итерации будет достаточно.

[balmer]

Кстати фразу можно интерпретировать как прыгание млдшего разряда в пределах этих величин или прыгание младшего разряда при измерении этих величин. Я думаю что здесь первое.

Да, совершенно верно.

Очень хорошее разрешение по индуктивности говорит что речь идет скорее всего о высоких частотах. Почему то маловато разрешение по емкости. Возможно недостаточно усиление по току.

Да, результаты по младшим разрядам написал для 100 КГц.
С младшими разрядами конечно полный бардак Легко мог ошибиться в точности и в ту и в другую сторону.
Маленькие конденсаторы скорее всего неточно измеряет из-за внешних помех. 100 КОм это очень большое сопротивление. По питанию помехи проникают. Щупы отлично ловят весь спектр помех. Да и не понимаю как можно сильно улучшить. Вот скажем суммарная емкость входной части порядка 5 pF. Измеряем емкость 0.1 pF - это всего лишь 2% от этого значения. То есть даже при идеальном коэффициенте усиления нужна очень хорошая точность и линейность ADC.

Когда закончу с прошивкой - соберу простенький стенд, на который надо будет напаивать SMD резисторы/конденсаторы/индуктивности.

К своей статье я выкладывал перевод статью HP о калибровке. Ту самую на которую опирается RLC-2. Там возможно не очень очевидно, но можно показать, что измерение возможно в огурцах. То есть сразу в единицах АЦП после фурье преобразования.
Идея по калибровке на диапазоне по нескольким точкам хороша. Только вот уравнения, которые получаются решить аналитически не удается. Но вполне можно решить их методом приближений. Я думаю 2-3 итерации будет достаточно.

Да именно по этой статье и делал.
Отлично все решается аналитически. Там 3 независимых комплексных коэффициента. Четвертый можно приравнять к 1 (перед напряжением или током по вкусу). Получаем систему из 6 линейных уравнений. Хотя конечно даже линейную систему уравнений не нужно решать аналитически. Все таки численные методы дают более точный результат.

[Galizin]

100 КОм это очень большое сопротивление.

Странно. Вроде в Вашей схеме более качественные компоненты. Должны 100К мерить легко. 2М меряется отлично. http://code.google.com/p/rlc-stm32f100/wiki/Accuracy.

Вот скажем суммарная емкость входной части порядка 5 pF. Измеряем емкость 0.1 pF - это всего лишь 2% от этого значения.

Есть подозрение, что у Вас не хватает усиления по току. Можете нарисовать табличку с возможными коэф усиления? Да нужно учитывать, что не все комбинации усиления по току и напряжению имеют смысл.
Щупы нужно бы тоже сделать нормальные. Часа 2 работы.

[balmer]

Должны 100К мерить легко. 2М меряется отлично.

Еще не измерял резисторы больше 1 МОм. Измерю сегодня вечером, расскажу что получилось с точки зрения точности.

Есть подозрение, что у Вас не хватает усиления по току. Можете нарисовать табличку с возможными коэф усиления? Да нужно учитывать, что не все комбинации усиления по току и напряжению имеют смысл.
Щупы нужно бы тоже сделать нормальные. Часа 2 работы.

Не знаю как делать нормальные щупы У меня вот такие -

При калибровке выдает емкость щупов 2-4 pF, сопротивление щупов 17 мОм, индуктивность 60-80 нГ. Емкость зависит от того как близко друг к другу находятся крокодилы.


Усиление по току и напряжению выбирается из ряда 3.74*(1, 2, 4, 5, 8, 10, 16, 32)
Максимальный коэффициент усиления 3.74*32 = 120

На частоте 100 Гц у меня очень линейно работает система. Вчера измерял резисторы в единицы КОм - вполне укладываются значения в 0.2 % после калибровки. Но вот на частоте 100 КГц система существенно нелинейна, там уже и 2% ошибки это хорошо.

[Galizin]

аксимальный коэффициент усиления 3.74*32 = 120

У меня полученные данные для коэф примерно 400 и преобр i/v 100К.
Щупы я делал след образом. Брал экранированный стерео провод для аудио. Там 2 соединенных вместе экранированных провода. По средним проводам подводил или снимал сигнал.
В крокодиле побольше Вашего размером стачивались напильником зубья, зажимались 2 меленькие пластинки фольгированного стеклотекстолита. Плоскость челюсти подгонялась напильником что бы зажимать 2 пластины 2 стороннего стеклотекстолита.
В пластинках стеклотекстолита делелось боковое продольное отверстие сверлом примерно 0ю6-0.8 глубиной миллиметра 3-5 потом немного расшатывалось к одной из поверхностей фольги. Саму фольгу сверлить лучше не нужно. Ее нужно продавить в полученное отверстие. В эту канавку припаивал среднюю жилу экранированного провода. 2 пластинки 2 жилы. Провода предварительно протянуты через крокодил. Фольга с противоположной стороны снималась напильником на глубину отверстия (5mm). Пайка выравнивалась в плоскость фольги с которой спаян провод. Потом все это хозяйство втягивалось на место. Между пластинами встявлялся кусочек майлара (? защита фоторезиста) что бы не спаялись 2 пластины. Пластины припаивались к челюстям крокодила за противоположный слой. Экран одного из проводов припаивался к крокодилу, второй экран не припаивался ни куда, просто обрезался. Таким образом деталь зажимается между 2 слоями фольги стеклотекстолита, изолированных от крокодила.